In het hart van energieomzetting bewegen elektronen en protonen in een ingewikkelde, gecoördineerde dans. Chemici van Yale en in Zweden zeggen dat ze misschien de stappen hebben geleerd naar een nieuwe, fotochemische rhumba.

De ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Science , kan inzicht geven in de manier waarop de natuurlijke wereld zonne-energie omzet in brandstof, zoals bij fotosynthese. Die kennis kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe zonne-energietechnologie en zonnecellen.

"Hoewel het zeldzaam is om een ​​nieuw, fundamenteel type mechanisme te ontdekken, was dit moleculaire systeem klaar om dergelijk intrigerend gedrag te onthullen", zegt Sharon Hammes-Schiffer, Sterling Professor of Chemistry aan Yale. "Dit werk was alleen mogelijk door een sterke samenwerking tussen theorie en experiment."

Hammes-Schiffer is co-corresponderende auteur van de studie, samen met James Mayer, de Charlotte Fitch Roberts hoogleraar scheikunde aan Yale, en Leif Hammarström, een scheikundeprofessor aan de Universiteit van Uppsala in Zweden.

De nieuwe studie borduurt voort op eerder werk van de onderzoekers, waarin ze ontdekten dat bepaalde moleculen, wanneer ze worden bestraald, een effect kunnen vertonen dat bekend staat als de Marcus inverted region (MIR). In de MIR vertraagt ​​een elektronenoverdrachtsreactie verrassend genoeg naarmate deze energetisch gunstiger wordt. Het MIR-effect wordt beschouwd als centraal in de efficiëntie van fotosynthese, zeggen wetenschappers, omdat het energieprocessen vertraagt ​​​​die verspillend zijn. Het vorige werk onthulde het MIR-gedrag voor wat ze beschrijven als een proton-gekoppelde elektronenoverdracht (PCET) -reactie.

De onderzoekers merkten echter ook op dat sommige van de bestudeerde moleculen geen MIR vertoonden. Ze vermoedden dat er mogelijk een afzonderlijk, tot nu toe onbekend fotochemisch proces aan het werk was. Berekeningen van de groep van Hammes-Schiffer suggereerden een concurrerend mechanisme waarin elektronische energieoverdracht en protonenoverdracht zijn "gekoppeld".

En dat is inderdaad wat het team vond in de nieuwe studie.

In een reeks fotochemische experimenten losten de onderzoekers moleculen op bij zeer lage temperaturen (77 graden K of -321 F) in een soort glas dat het nieuwe mechanisme isoleerde. Na het verlichten van de koude moleculen met licht, observeerde het team fluorescentie geassocieerd met het nieuwe mechanisme, dat ze proton-gekoppelde energieoverdracht (PCEnT) noemen.

Tijdens PCEnT wordt de energie van foto-excitatie in één fragment van een molecuul overgedragen naar een tweede fragment dat zich in het molecuul bevindt. Bij deze energieoverdracht is geen elektronenoverdracht tussen de twee fragmenten betrokken; het is gekoppeld aan een protonoverdracht die plaatsvindt in het tweede fragment. Het proces is dus niet PCET, waarbij elektronenoverdracht betrokken is, maar eerder PCEnT, waarbij energieoverdracht betrokken is.

"Elektronische energieoverdracht tussen moleculen of delen van moleculen is al lang bekend en is belangrijk in veel lichtgestuurde processen", zegt Mayer. "PCEnT lijkt het eerste voorbeeld te zijn van fotochemische energieoverdracht die gekoppeld is aan de beweging van een atoom of een kern."

Co-eerste auteurs van de studie zijn Zhen Tao van Yale en Belinda Pettersson Rimgard van de Universiteit van Uppsala. Andere auteurs zijn afgestudeerde student Laura Cotter van Yale en voormalig Yale postdoctoraal fellow Giovanny Parada. + Verder verkennen

Onderzoekers observeren Marcus omgekeerd gebied van ladingsoverdracht van laagdimensionale halfgeleidermaterialen